張治倉，桂福珍

（1.陜西新泰能源有限公司，陜西 彬州 713500；2.陜西陜煤澄合礦業(yè)有限公司職工培訓中心，陜西 渭南 715200）

0 引言

大佛寺煤礦瓦斯電廠現(xiàn)有低濃度瓦斯發(fā)電機組24臺500 kW發(fā)電機組，容量12 MW。原設(shè)計采用外循環(huán)開式冷卻系統(tǒng)并配套機組熱交換器。該冷卻系統(tǒng)使用4臺500 m3/h玻璃鋼逆流冷卻塔，配套6臺功率45 kW的冷卻循環(huán)泵以及循環(huán)冷卻水池，運行方式為4用2備。

1 改造前冷卻系統(tǒng)存在的問題

大佛寺低濃度瓦斯發(fā)電廠地處陜西省彬州市，屬暖溫帶半干旱大陸性季風氣候，環(huán)境干燥且常年伴風。瓦斯發(fā)電機組使用的開式冷卻塔長期暴露在外受周邊環(huán)境影響，水資源損失巨大，每天消耗水量可達300 m3左右。同時冷卻塔為開式結(jié)構(gòu)，水池清理周期短，冷卻塔換熱效率偏低，漂水損失大。圖1為開式冷卻系統(tǒng)冷卻塔實物圖。

圖1 開式冷卻系統(tǒng)冷卻塔

此外，該地區(qū)水質(zhì)較硬，機組高、低溫熱交換器結(jié)垢頻繁，水垢處理是電廠生產(chǎn)過程中所面對的核心問題。清理水垢需將發(fā)電機組停機，待機組溫度冷卻后方可進行拆卸、清洗［1-3］，每臺機組高、低溫交換器平均每2 d便需進行一次清理，頻繁的啟停機，嚴重影響機組發(fā)電效率的同時還造成了巨大的能源損耗。頻繁拆裝清洗熱交換器還導致熱交換器使用壽命縮短為一年，該問題的發(fā)生造成瓦斯發(fā)電廠年運行成本增加了近50萬元。

電廠冷卻系統(tǒng)用水來自于大佛寺煤礦水源井，水資源分配困難。特別夏季來臨時，煤礦自身用水需求增大，無法保證電廠正常生產(chǎn)用水供水，發(fā)電設(shè)備隨時面臨因水源不足導致停運。

2 冷卻系統(tǒng)的技術(shù)改造措施

對發(fā)電機組冷卻系統(tǒng)的改造可以改善機組運行條件、減少水資源浪費、降低機組檢修頻次、降低機組停機率、減少機組維修費用、避免大范圍停機、提高發(fā)電量，同時擺脫水資源不足的制約［4-6］。

為了解決開式冷卻系統(tǒng)存在的問題，經(jīng)過多方調(diào)研，認為臥式多風扇水箱閉式冷卻系統(tǒng)替代燃氣發(fā)電機組外循環(huán)冷卻系統(tǒng)技術(shù)可行。采用垂直筒風扇冷卻方式取代熱交換器配冷卻水塔的冷卻，能夠達到機組冷卻要求。臥式多風扇水箱閉式冷卻系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 臥式多風扇水箱閉式冷卻系統(tǒng)

該冷卻系統(tǒng)優(yōu)勢主要體現(xiàn)在7大方面。具體為：單臺機組散熱面積增加至750 m2，散熱效率明顯提高；采取了封閉循環(huán)系統(tǒng)，減少了水源、機組配件消耗，降低了運行成本；運行方式靈活，原冷卻系統(tǒng)停運時，對應(yīng)12臺機組需全部停機，該冷卻方式故障僅影響相對應(yīng)的單臺機組，最大程度減少了冷卻系統(tǒng)運行對發(fā)電機組的運行制約；采用分割設(shè)計的原則，每組散熱器可以單獨控制，可以根據(jù)電廠所在的不同環(huán)境和氣候進行選擇調(diào)節(jié)風扇開啟數(shù)量，合理控制整機溫度，使整機散熱能力能夠達到最佳狀態(tài)，減少不必要的電力損失；散熱芯子相對獨立，當設(shè)備運行過程中出現(xiàn)突發(fā)狀況時可以進行單獨拆卸，不需要全部拆檢，減少發(fā)電機組停機頻率、設(shè)備維修時間［7-9］；立式頂部風機散熱，較傳統(tǒng)水箱安全性提高；整體結(jié)構(gòu)性強，方便拆裝，移動方便。

3 開式與閉式冷卻系統(tǒng)對比分析

3.1 改造工期

開式冷卻系統(tǒng)改造，由于水質(zhì)硬產(chǎn)生的積垢影響，需要清理或更換全部冷卻水循環(huán)管線［10-12］。同時，開式冷卻系統(tǒng)對蓄水方面要求較高。冷卻水循環(huán)水池的清洗需要大量人力投入，清洗過程中還需要對原有水池內(nèi)的蓄水進行排空處理，水資源浪費較大，結(jié)合設(shè)備、水管線的更換，可知該開式冷卻系統(tǒng)改造成本較大。

閉式冷卻系統(tǒng)改造，臥式多風扇閉式冷卻系統(tǒng)的建設(shè)僅需對現(xiàn)場閑置空地進行規(guī)劃，必要時可采用分散式布局，對土地使用要求相對較低，且設(shè)備占地面積小，施工靈活，對人力物力的投入較小。單機改造工期較短，僅需2 d便可完成1臺設(shè)備的改造。另外，臥式多風扇水箱每臺機組配置一臺套風冷裝置，形成獨立的循環(huán)冷卻系統(tǒng)，發(fā)生突發(fā)事故僅需對相應(yīng)事故機組的冷卻循環(huán)系統(tǒng)進行停機處理即可，不會對其他機組的正常運行造成影響。

3.2 運行成本分析

開式冷卻系統(tǒng)水耗和電耗：開式冷卻循環(huán)系統(tǒng)理想狀態(tài)下每天需補充冷卻水約為145 m3/d，但實際用水消耗還包括冷卻塔自然蒸發(fā)、漂水損失等，實際用水消耗約為300 m3/d，每方水按3元計算，每天損耗水成本為900元。

開式冷卻循環(huán)系統(tǒng)正常生產(chǎn)運行需啟用4臺循環(huán)水泵以及冷卻塔風機，每小時電量消耗為（45+15）×4=240 kW，電廠日使用電量為240×24=5 760 kW·h，平均單臺機組日用電量240 kW·h。另外，由于水質(zhì)問題影響，水管線內(nèi)存在結(jié)垢問題，需及時停機清理熱交換器內(nèi)的水垢，累計單臺機組每月停機時長48 h左右，按照開式冷卻系統(tǒng)運行狀態(tài)下機組發(fā)電功率約為350 kW計算，清理熱交換器而造成停機期間損失的發(fā)電量為350×48=16 800 kW·h。由此推算，機組平均每日損失電量約為16 800/30=560 kW·h。

通過以上計算可知，使用開式冷卻循環(huán)系統(tǒng)運行機組，單機約損耗電力700 kW·h/d，根據(jù)陜西省咸陽市市場電價0.52元/度進行計算，設(shè)備日消耗電量換算金額約為364元，共計消耗資源換算金額為1 151元/d。

閉式冷卻系統(tǒng)水耗和電耗：①閉式循環(huán)冷卻系統(tǒng)以散熱風扇替代原外循環(huán)水冷系統(tǒng)，無水源消耗，發(fā)電機組補水周期與原冷卻系統(tǒng)基本持平，約3 d進行一次補水，24臺風冷設(shè)備補水量不足5 m3/月，按5 m3用水消耗約為15元；②閉式循環(huán)冷卻系統(tǒng)運行用電消耗按滿負荷進行計算，單臺設(shè)備日消耗電量約2×8×24=384 kW·h（單臺風機功率2 kW，共8臺風機），根據(jù)風冷設(shè)備運行結(jié)果可知，內(nèi)循環(huán)冷卻設(shè)備同比外循環(huán)冷卻設(shè)備無特殊設(shè)備檢修工作。根據(jù)市場電價進行計算，設(shè)備日消耗電量換算金額約為200元，共計消耗資源換算金額為215元/d。

對比結(jié)果：根據(jù)對開式冷卻系統(tǒng)與閉式冷卻系統(tǒng)日常運行過程中能源與經(jīng)濟使用情況進行分析對比，得出采用閉式冷卻系統(tǒng)同比開式冷卻系統(tǒng)日節(jié)約用水295 m3；風冷設(shè)備運行成本每天可節(jié)約用電316 kW·h；風冷設(shè)備運行過程中單臺設(shè)備出現(xiàn)突發(fā)狀況時發(fā)電機組不會出現(xiàn)大面積停機；由于無特殊設(shè)備檢修工作要求，內(nèi)循環(huán)冷卻系統(tǒng)同比外循環(huán)冷卻系統(tǒng)降低了人力資源成本。

4 工程改造后的效果

大佛寺瓦斯發(fā)電廠臥式多風扇內(nèi)循環(huán)冷卻系統(tǒng)改造工程自2018年5月中旬開始施工，于6月下旬完成工程改造。冷卻系統(tǒng)改造前發(fā)電機組的運行水溫、油溫平均高達85℃左右，接近報警臨界值，平均單臺發(fā)電機組分網(wǎng)頻率可達3次/d。同時，由于水溫、油溫的限制，發(fā)電機組運行功率最高僅能到達350 kW。

冷卻系統(tǒng)改造完成后，發(fā)電機組運行水溫、油溫降低至75～80℃左右，溫度處于設(shè)備運行標準范圍。在沒有了水溫、油溫限制后，發(fā)電機組單機運行功率可提升至450 kW左右，每天增加發(fā)電量57 600 kW·h左右，折純后的實際單位瓦斯（純甲烷）發(fā)電量提高至2.6 kW·h/m3，達到提升發(fā)電機組發(fā)電量的目的，發(fā)電效率高于國內(nèi)平均水平。

另外，冷卻系統(tǒng)改造后，原系統(tǒng)循環(huán)水泵、冷卻塔、循環(huán)水池轉(zhuǎn)為備用狀態(tài)，減少了系統(tǒng)檢修及循環(huán)水池清淤換水等工作頻次，減輕作業(yè)人員勞動強度，緩解了生產(chǎn)現(xiàn)場人員緊張現(xiàn)狀。

5 結(jié)論

（1）實踐結(jié)果表明，對于水源短缺、水質(zhì)硬度高地區(qū)的瓦斯發(fā)電廠，建議根據(jù)現(xiàn)場實際情況進行冷卻系統(tǒng)改造，改善瓦斯發(fā)電企業(yè)整體安全運行環(huán)境，穩(wěn)定發(fā)電機組運行，提高發(fā)電產(chǎn)量。

（2）對于缺水少水或水質(zhì)要求不達標地區(qū)，使用臥式多風扇水箱閉式冷卻循環(huán)系統(tǒng)同比開式冷卻系統(tǒng)運行經(jīng)濟性高，減少能源浪費，還可降低人力資源緊張狀況，提高電廠生產(chǎn)效率。

（3）閉式冷卻系統(tǒng)安裝運行操作靈活、施工要求低、建造成本少、運行穩(wěn)定，可以為其它同類瓦斯發(fā)電項目提供改造思路。